Teknisk termodynamik 5 hp

Transkript

1 Teknisk termodynamik 5 hp Välkomna till teknisk termodynamik! Period 3, VT-2016 Cecilia Gustavsson Ralph Scheicher Federico Binda/Jacob Eriksson Sebastian Geroge/Sotirios Droulias examinator och kursansvarig lärare, föreläsningar, räkneövningar, munta (cecilia.gustavsson@physics.uu.se) räkneövningar, Matlab, munta räkneövningar laborationer

2 Teknisk termodynamik 5 hp Kursupplägg 9 föreläsningar Inför F2-F8: Instuderingstest (kryssfrågor) på Studentportalen. Frivilligt, ger inga poäng eller påverkar resultatet. Kan göras obegränsat antal gånger. 9 räkneövningar Laboration + presentation i seminarieform, obligatoriska 3 Matlab-inlämningsuppgifter, obligatoriska

3 Teknisk termodynamik 5 hp Examination Labkurs, en laboration -> muntlig redovisning i seminarieform Betyg på laborationen/redovisningen: G eller U. Underkänt på redovisningen -> komplettering i form av fullständig skriftlig rapport. Matlabuppgifter -> 3 obligatoriska Betyg: G eller U För godkänt: fungerande matlabscript innan deadline. Se separat info på SP (Ralph). Obligatorisk skriftlig tentamen 16 mars för betyg 3 Kursbok + PH. Frivillig muntlig examination för betyg 4 eller 5 Med Cecilia Gustavsson och Ralph Scheicher

4 Teknisk termodynamik 5 hp

5 Teknisk termodynamik 5 hp Kursbok: Cengel & Boles:Thermodynamics: an engineering approach, 8. ed in SI Units, McGraw-Hill, ISBN: Kursmål: Efter godkänd kurs skall studenten kunna: Beskriva och tillämpa begreppen arbete, värme, inre energi, entropi, temperatur, termodynamiska observabler. Beskriva och tillämpa termodynamikens empiriska huvudsatser och tillståndsbeskrivnigar. Använda makroskopiska observabler och experimentella data i tekniska sammanhang. Beskriva utformningen av vanliga värmetekniska maskiner. Analysera kretsprocessers teoretiska funktion och använda dem i praktiska tillämpningar. Beräkna verkningsgrader för värmemotorer och värmepumpar Beräkna värmeledning och värmestrålning i olika geometrier. Genomföra grundläggande värmetekniska beräkningar i Matlab.

6 Teknisk termodynamik 5 hp Några kommentarer från tidigare kursvärderingar Mer helhet, mindre typräkning/tabellstudie! Och skippa boken på tenta, blir tyvärr för lätt. Entropibegreppet borde få mer litteratur och ägnas mer tid. Jag tror man kan utveckla labbkonceptet och seminariet efteråt. Över lag tycker jag att det var en välplanerad och genomtänkt kurs! Lektionerna var bland de bästa jag haft. Kul med klickers (Bitvis för svåra frågor). Jag skulle vilja haft mindre cykler och mer om värmeövergångar. Jag är lite kluven när det gäller konceptet med muntlig tentamen. På en 5-timmarstenta har man god tid på sig att tänka igenom sitt svar och gå tillbaka till uppgifter om man inte direkt inser hur man ska lösa den. På muntliga tentamen finns det inte tid till detta, och inte heller finns det tid till att behandla alla kursmål. Dessutom blir bedömningen rimligtvis mer subjektiv än vid en skriftlig tentamen, även om ni gör ett bra jobb kommer ni garanterat påverkas av intrycket personen ger er. Samtidigt var diskussionerna med examinatorn intressanta och givande, men personligen föredrar jag nog ändå den vanliga typen av tentor. Ta bort den muntliga examinationen! Jag lär mig personligen mest av egna studier eftersom man på föreläsningar och lektioner blir en passiv betraktare. Användningen av klickers är ett stort plus av just det skälet. Den muntliga tentamensformen krävde ett mer medvetet studerande för en djupare förståelse, vilket var bra.

7 Kurslitteratur: Cengel and Boles: Thermodynamics an engineering approach, 8 ed. Värme, energi, arbete, tryck Faser, entalpi, ideal gas Kap , F1 L1 Kap F2 L 1 Kinetisk gasteori Extra Kinetisk_gasteori_Beckman.pdf F2 L2 Energianalys av slutna system Energianalys av öppna system Termodynamikens 2:a lag Kap F3 L 2 Kap F3 L 3 Kap , F4 L4 Entropi Kap , , 7.12, F5 L5 Ångcyker Kap F6 L6 Kretsprocesser med gas Kap , 9.8 F7 L7 Kylcykler Kap F8 L8 Tillståndsrelationer Kap F8 L8 Värmetransport Kap 2 + extra 2.8, (sid 91-96) + Strålning_Beckam.pdf + Värmedledning_alvarez.pdf Repetition Kap 1 12 (ej 8) + extra F8 F9 L8 L9

8 Högskolepedagogik En bild från, universitetet i Bologna, 1300-tal

9 Högskolepedagogik En bild från, universitetet i Bologna, 1300-tal

10 Högskolepedagogik Men det är inget fel på varken talets människor eller på oss. Vi fungerar som människor ska minuter är den tid man håller sig uppmärksam. Man glömmer det mesta man hör! Aktivitet och omväxling främjar lärande.

11 Nu börjar vi med termodynamiken!

12 Vad säger termodynamikens första huvudsats? A. Energi flödar alltid i en bestämd riktning. B. Energi är oförstörbar men kan omvandlas i olika former. C. Energi flödar från varmt till kallt. 0% 0% 0% A. B. C.

13 Kapitel 1 grundläggande begrepp Termodynamik: grekiska therme (energi, värme) och dynamis (kraft, effekt) vetenskapen om energi och värme Energi: fysikalisk storhet som kan orsaka förändringar, rörelse eller uträtta arbete! Energins bevarande: (termodynamikens första huvudsats). Energi är oförstörbar men kan omvandlas till andra former. Termodynamiken är en makrosopisk beskrivning av världen. Materia är ett kontinuum, atomära egenskaper bortses ifrån.

14 Vilken storhet har enheten kwh? A. Energi B. Effekt C. Tid D. Entropi 0% 0% 0% 0% Energi Effekt Tid Entropi

15 Storheter och enheter Kapitel 1 grundläggande begrepp Storhet Enhet Massa kg Tid s Längd m Kraft N = kg*m/s 2 Temperatur K Densitet kg/m 3 Energi J = Nm Effekt W = J/s Volym m 3 Hastighet m/s Tryck Pa = N/m 2 Energi 1 J = 1 Nm 1 kwh = 3.6 MJ Ofta används kj som grundenhet Effekt 1 W = 1 J/s Tryck 1 Pa (kpa) 1 bar = 10 5 Pa = 100 kpa 1 atm = bar = * 10 5 Pa

16 Kapitel 1 grundläggande begrepp

17 Vad händer när vi värmer systemet? A. Den rörliga systemgränser rör sig uppåt B. Den rörliga systemgränser rör sig nedåt C. Ingenting 0% 0% 0% A. B. C.

18 Kapitel 1 grundläggande begrepp Egenskaper (properties) karaktäriserar ett system Intensiva egenskaper: oberoende av systemets massa och volym t.ex. tryck (P), temperatur (T), densitet (r) Extensiva egenskaper: beror på systemets massa och volym t.ex. volym (V), energi (E) Specifika egenskaper: extensiv egenskap delat med massa blir en intensiv. Liten bokstav! specifik volym (volymitet): v = V/m [m 3 /kg] specifik energi e = E/m [kj/kg] OBS! v = 1/ r

19 A. Volymitet B. Specifik massa C. Specifik densitet D. Specifik värmkapacitet Vilken intensiv egenskap är 1/densiteten? 0% 0% 0% 0% Volymitet Specifik massa Specifik densitet Specifik värmkapacitet

20 Tillstånd och jämvikt Tillstånd beskrivs av egenskaper: Kapitel 1 grundläggande begrepp Jämvikt: balans; dvs inga potentialer eller drivkrafter i någon riktning. Termisk jämvikt (samma temperatur), fasjämvikt (t.ex. is-vatten), kemisk jämvikt (inga kemiska reaktioner) osv.

21 0:te huvudsatsen Kapitel 1 grundläggande begrepp

22 Kapitel 1 grundläggande begrepp Processer och kretsar (cykler) Process: Förändring från ett jämviktstillstånd till ett annat. Väg: Den serie av tillstånd en system passerar under processen. Kvasi-statisk eller kvasi-jämviktsprocess: När processen fortgår på sådant sätt att systemet hela tiden är nära jämvikt. Krets (cykel): en process med samma start- och sluttillstånd.

23 Tryck kraft per ytenhet, 1 Pa = 1 N/m 2 Kapitel 1 grundläggande begrepp Absolut tryck P abs : verkliga trycket relativt vakuum Övertryck P gage : skillnad mellan absoluta trycket och lokala atmosfärstrycket. Ofta är tryckmätare kalibrerade att avläsa 0 i atmosfärstryck. Undertryck P vac : tryck under atmosfärstryck

24 Vad händer med lufttemperaturen i rummet? A. Ökar B. Minskar C. Oförändrad 0% 0% 0% Ökar Minskar Oförändrad

25 Kapitel 2 energi och energianalys Total energi Kinetisk energi Potentiell energi 2 m E k 2 E p mgz Inre energi U summan av alla mikroskopiska energier Total energi: E U E k E p U 2 m 2 mgz [kj] Specifik energi: e u e k e p 2 u 2 gz [kj/kg]

26 Kapitel 2 energi och energianalys Massflöde och energiflöde Massflöde = massa/tid m m t rv t ras t r Av avg Energiflöde = energi/tid (enhet J/s = W) E E t me t me Flöde av ånga genom ett rör med diametern D. Här är V avg hastigheten!

27 Kapitel 2 energi och energianalys Energiinteraktioner Energi kan tillföras eller bortföras ett system via: Värme, Q Arbete, W Massa, m (endast öppna system då massa passerar systemgränsen kap 5) Skillnaden mellan värme och arbete: Om drivkraften för energiöverföringen är en temperaturskillnad är processen värmeöverföring. Annars arbete!

28 Energiöverföring i form av värme: Q [kj] Kapitel 2 energi och energianalys energi som överförs mellan två system som har olika temperatur. Per massenhet: q Q m [kj/kg] Värmeöverföringshastighet: ( rate of heat transfer ) (värmeeffekt) Q Q t [kj/s = kw] Värme kan överföras på tre sätt: 1. Ledning 2. Konvektion 3. Strålning

29 Kapitel 2 energi och energianalys Adiabatiska processer Ingen värmeöverföring sker, dvs Q=0 Systemet är isolerat OBS: Adiabatisk isoterm Temperaturen i ett adiabatisk system kan ändras genom att t.ex. tryck och volym ändras.

30 Kapitel 2 energi och energianalys Energiöverföring genom arbete, W Arbete: associerat med en kraft, t.ex. en rörlig kolv (piston), roterande axel (shaft). Också i elektrisk form som ström genom en kabel. T.ex. W Fs PAs [kj] w W m [kj/kg] Effekt (power): arbete per tidsenhet W W t [kj/s = kw]

31 Kapitel 2 energi och energianalys Riktning av energiflöden Definierar: värmeöverföring till systemet positiv arbete utfört av systemet positivt

32 Kapitel 2 energi och energianalys Termodynamikens 1:a huvudsats energins bevarande Energi kan varken skapas eller förstöras, bara övergå i andra former Potatis i en varm ugn: Ökningen av potatisens energi är lika stor som den värme som tillförts från ugnen. Adiabatiskt system: Ingen värmeöverföring (Q in = Q ut =0) Men 1:a huvudsatsen kan inte förklara allt! Säger inget om riktningen av energiflöden!

33 A. E B. Q C. e D. W E. Alla ovan Vilken eller vilka av följande införda storheter har enheten kw? 0% 0% 0% 0% 0% A. B. C. D. E.

34 Kapitel 2 energi och energianalys Energibalans och ändring av ett systems energi tillförs bortförs ändring i total energi Genom vilka mekanismer kan energi tillföras/bortföras? Vad bygger upp ett systems totala energi?

35 Kapitel 2 energi och energianalys Energiöverföring via värme, arbete och massa

36 Ändring i ett systems energi Kapitel 2 energi och energianalys Systemets totala energi utgörs av inre, kinetisk och potentiell energi: DE system DU DE k DE p m 2 2 m( u2 u1) ( v2 v1 ) mg( z2 z1) 2 Stationära system: => ingen ändring i kinetisk eller potentiell energi =>DE k och DE p = 0 D E system DU m( u 2 u1)

37 Kapitel 2 energi och energianalys Energibalans för en krets (cykel) Start- och sluttillstånd är samma => DE system E final E initial 0 För ett slutet system gäller då: E in E ut ( Q Q ) ( W W ) in ut in ut 0 Med teckenkonventionen: Q net W,, in net ut eller Q W Q net, in Wnet, ut [kj/s = kw] (per tidsenhet)

38 Kapitel 2 energi och energianalys Verkningsgrad (efficiency, performance) Typiska verkningsgrader Vattenkraft till el 85% Ångkraftverk 60% El till värme 100% Bensinmotor 30% Dieselmotor 40%